LED室內可見光語音通信系統設計及實現

江曉明，朱孝勇，劉 濤，朱 娜，劉嘉蓓

（江蘇大學計算機科學與通信工程學院，鎮江212013）

LED室內可見光語音通信系統設計及實現

江曉明，朱孝勇，劉 濤，朱 娜，劉嘉蓓

（江蘇大學計算機科學與通信工程學院，鎮江212013）

LED燈作為主要的新型照明工具，因其較高的靈敏度，可用于光通信系統中。為了研究與驗證LED室內可見光語音通信系統的接收性能與傳輸距離，參照紅外通信的信道模型，融入反射光的影響因素，在使用室內標準照明的光發射功率下，采用多徑疊加網格算法，計算桌面各接收點接收信號功率等參量的分布，并設計與實現了LED可見光語音單向通信系統的收發電路。結果表明，當LED燈的發射功率大于2W、信號物理層通信速率不高于1Mbit／s的情況下，系統能夠滿足信號接收功率與接收信噪比的實際通信要求，并能夠實現10m距離內的信號無失真解碼與清晰收聽。這一結果對LED可見光通信系統進一步的研究與應用有一定的價值。

光通信；照明；信道模型；接收功率；解碼

引 言

隨著高亮度發光二極管（light emitting diode，LED）光效的不斷提高，其應用已從顯示領域擴展到照明與燈光美化領域。與傳統照明器件相比，LED具有電壓低、功耗小、壽命長與小型化等優點。該照明光源，特別是白光LED燈，已被視作當代節能環保型照明產品［1-2］。LED的另一個突出優點是響應靈敏度高、調制性能好、發射功率大，目前已逐步替代傳統光源，作為高速率數據光纖通信系統的光源得到了普遍的應用。所以，利用LED的發光特性，可以將數據調制到自由空間的可見光上進行傳輸，形成LED可見光無線通信（visible light communication，VLC）系統［3］。與傳統紅外通信相比，室內VLC通信系統具有對人眼無傷害、無電磁干擾、無需申請頻譜、不會出現數據泄漏等優點。因此，使用LED的VLC通信系統技術有著廣闊的應用前景，近年來得到了國內外廣泛的關注與研究。

日本KEIO大學的NAKAGAWA等學者提出了利用LED燈進行信息傳輸的室內VLC通信系統，并在信道設計和調制方式等方面做了大量工作［4］。國內暨南大學CHEN教授等人對LED發光特性和室內通信鏈路進行了仿真［5］，西安理工大學KE教授等人對不同無線光信號的調制方法與接收性能進行了分析［6］。作者參考上述文獻中的研究方法和結論，借助BARRY等人的室內紅外通信信道模型［7］，采用可見光發射常用的強度調制／直接檢測（intensity modulation／direct detection，IM／DD）信號調制方法，在典型LED燈室內布局與常用LED光發射功率的情況下，采用多徑疊加網格算法，建立仿真模型與計算程序，計算桌面上各點的水平照明度與接收信號功率等參量指標的分布。為了通過實驗來驗證計算結果的可靠性與該通信系統的可行性，采用ADUC7020型數模轉換的ARM可編程芯片及配套的外圍印制電路板（printed circuit board，PCB），設計及實現了包含收發兩端器件的VLC語音單向通信系統。該系統能實現在一定功率要求和較短傳輸距離的情況下，語音數字信號的無中繼接收、放大濾波及清晰收聽。

1 室內VLC通信系統的照明與功率要求

1.1 典型房間模型和LED照明度分布

照明度表示物體表面的亮度，水平照明度可表示為［8］：

式中，I（0）為LED中心光照強度，Φ為光發光角度，Ψ為光入射角度，Dd為LED與光接收機（photo detector，PD）表面的距離。假設LED符合朗伯輻射規則，m為朗伯輻射系數，它與LED的半功率半角Φ1／2的關系可表示為m＝－ln2／ln（cosΦ1／2）。根據ISO定義的照明度要求，辦公室房間的光照強度適合在300lx～1500lx之間。

在空間尺寸為5.0m×5.0m×3.0m的典型室內房間模型中，LED燈安裝在離地面2.5m處，桌面高度為0.85m，房間頂部裝有4個LED燈，每個燈有100（10×10）個LED燈珠芯片。燈珠芯片之間的距離為5cm，發光半角為60°，中心發光強度為0.73cd，單個燈珠光發射功率為20mW，每個LED燈的總發光功率共計2W。通過MATLAB仿真工具進行3維建模仿真，可以獲得桌面的水平照明度分布圖，如圖1所示。可以看出，燈垂直位置下的照明度最高，房間桌面各點照明度在307lx～1286lx之間，符合ISO規定的照明標準。

Fig.1 Illumination distribution

1.2 直射光與一次反射光的接收功率

［7］中的光直射信道數學模型，在朗伯照射標準下，信道的增益為：

式中，A為光PD接收器的收光面積，Ts（Ψ）為光濾波器增益，g（Ψ）為PD接收機增益，Ψc為PD最大可接收視角。接收的直射光功率Pr與LED燈發射功率Pt的關系為：

在上述典型房間中，設接收機視角為最大視角60°，PD的收光面積為1.0cm2，光濾波器增益為1.0，PD的光電轉換率增益為1.5A／W，并利用PD接收效率最靈敏的白光波長進行傳輸，可仿真計算出室內桌面直射光接收功率的分布情況，見圖2a。

Fig.2 a—receiving power distribution of the direct light b—receiving power distribution with the reflected light

再考慮典型室內墻面引起的反射，光接收功率由直射H（0）與反射Href（0）的增益決定［9］。

反射一次的增益表達式為：

式中，D1為LED與反射點距離，D2為反射點與PD接收機距離，ρ為反射系數，d Awalls為反射區域面積，α為光源和反射點夾角，β為光源與PD接收機夾角，Ψ為反射光入射角，其它參量與直射相同。同樣可以計算出包含一次反射光信號的接收功率分布，如圖2b所示。

通過圖2a的計算結果可以得到，在典型室內環境中，桌面各點接收到的直射光功率范圍為－4.3dBm～2.5dBm，并且直射單一路徑接收信號不存在碼間干擾（inter symbol interference，ISI）的影響，可由PD接收機作為確認信號來接收。由圖2b的結果可知，包含一次反射的光接收總功率比直射信號的接收功率高0.5dBm左右，并且，雖然接收總功率有所增加，但是由于數字無線通信中反射的多徑效應，會導致真實信號接收的碼間干擾ISI［10］，并且在同一物理信道和系統相同調制方式下，光發送端信號傳輸速率越高，多徑效應引起的ISI對實際信號接收的影響就越大。

1.3 不同信號傳輸速率的光信號接收質量

基于第1.2節中的功率分布計算與反射引起的ISI影響，設發送的數字信號使用常見的非歸零開關鍵控（on-off keying，OOK）信號，調制方式為白光載波IM／DD的波長調制法，可以采用多徑疊加的網格算法，仿真計算出數字信號在不同傳輸速率下包含一次反射的接收信號信噪比（signal-to-noise ratio，SNR）值。

接收信號的表達式為：

式中，γ為PD接收器的功率增益，X（t）為非歸零OOK光脈沖發送信號，h（t）為信道沖擊響應，Pn（t）為包含了與信號發送周期T相關的ISI、散彈噪聲及熱噪聲等多種噪聲功率之和［11］。接收信號SNR中，信號功率表示為：

式中，T為碼元周期。ISI的噪聲功率Pn，ISI表達式為：

接收信號SNR中噪聲功率之和Pn（t）可表示為：

參考文獻［5］和參考文獻［11］中的典型室內模型系統散彈噪聲σshot與熱噪聲σthermal公式、參量與仿真結果，可以得到PD接收機的平均散彈噪聲與平均熱噪聲之和為較小值3.82×10－5dBm；設PD接收器的功率增益γ＝1，可在信號物理層速率為1Mbit／s與10Mbit／s，即單信號碼元周期為10－6s與10－7s時，分別仿真計算出PD接收機帶ISI干擾的光接收SNR值桌面分布，如圖3a與圖3b所示。并且，同樣可以計算出在信號速率不斷增加的情況下，燈正下方、房間四角及房間中心SNR值的變化曲線，如圖4所示。

Fig.4 SNR points curves under the lights in the room-center and in the corners

分析接收信號功率與各類干擾噪聲功率，對常規語音數字解碼器中信號接收質量的影響。在接收信號SNR值大于13dB時，系統能夠獲得誤碼值小于10－4的數字解碼效果與清晰音質試聽［12］。由圖3a與圖3b可見，當信號發送速率小于1Mbit／s，即單個碼元周期大于10－6s時，系統桌面接收點的SNR值均可達到14.9dB以上；而在10Mbit／s信號發送速率下，由于碼間干擾ISI值的影響加劇，SNR值介于4.8dB到19.3dB之間，大部分接收點不滿足語音信號接收的SNR質量要求。同樣，由圖4中的3種室內接收點連續變化曲線亦可發現，在LED室內可見光短距離通信系統中，使用同樣的信道模型與光信號發送功率，雖然接收信號的通信質量隨著信號發送速率增加呈現不斷下降的趨勢，但是通過接收信號的SNR值可以看出，系統能夠支持短距離中低速（信號發送小于1Mbit／s）語音信號的傳輸與接收。

2 語音通信收發機電路的設計與測試

2.1 LED與PD光收發器件電路設計思路

發送端首先對語音源通過自動增益控制（automatic gain control，AGC）電路放大與整流，通過核心處理芯片進行曼徹斯特編碼，并且滿足語音信號編碼速率小于或遠小于1Mbit／s，使得模擬語音信號轉變成數字基帶信號［13］；然后使用NPN三極管控制電路，利用LED發光器的調制靈敏度直接進行光波強度調制，達到既能夠發光又能夠實現數字信號發射的目的。

接收端采用增益系數較高的PD光電二極管接收光波信號，并在接收系統電路的控制和解碼作用下，進行與發送端相反的信號處理。設計的系統電路原理圖，如圖5所示。

Fig.5 Theoretical diagram of voice transceiver device circuits

2.2 電路設計的重點

收發器件電路中的核心芯片均采用ADI公司的ARM芯片ADUC7020，配以外圍工作電路與供電模塊，電路均采用3.3V供電［14］。其中，發送端由語音終端設備的耳機孔發出音頻信號，經過外圍電路整流放大，輸出至ADUC7020芯片的模擬信號輸入引腳，經過模數轉換與曼徹斯特數字編碼等信號處理后，輸出數字基帶信號；接著連接到NPN型三極管電路B極上，用以控制LED光信號發射器的信號發射。接收端的光信號接收與檢測由光接收器與光敏三極管構成，將光電轉換后的電信號發送到放大均衡芯片中，并將放大整流后的數字信號連接到ADUC7020芯片的數字信號引腳，通過解碼與譯碼，輸出相應的模擬語音信號；該信號再經過外圍電路的濾波放大，實現模擬音頻的播放。

2.3 發送與檢測的軟件程序流程

基于核心芯片的良好的程序開發與編譯功能，該LED語音可見光收發系統的嵌入式軟件程序，都能在該芯片中設計編譯完成。在發送端，主要完成的是語音信號輸入的檢測判別、基于曼徹斯特的模數轉換、以及驅動LED燈發射信號等工作。在接收端，主要完成的是判別光電轉換后的電流中有無數字信號、進行單向通信的建立與釋放、以及對數字信號進行解碼譯碼等工作。發送與接收兩端的嵌入式軟件程序流程圖，分別如圖6a與圖6b所示。

2.4 電路中信號接收的效果

Fig.6 a—program chart of modulation and transmission b—program chart of receiver and demodulation

通過對上述LED與PD收發器件的多次實驗檢測，在無遮擋的典型室內環境下（見第1.1節），LED的信號發射功率為2W，并且滿足PD接收機的接收角度，接收機能夠確保在10m范圍內的正常信號接收與耳機清晰收聽。圖7為在收發兩端相隔10m距離時，用數字示波器檢測并截留產生的收發兩端語音數字信號波形。

在實驗檢測中，還通過數字誤碼儀測量了收發兩端的數字誤比特率（bit error rate，BER）值，獲得了10m范圍內滿足誤比特率小于10－4的測量結果。但是，在光發送功率和PD接收面積不變的情況下，隨著收發兩端距離的不斷增加，信號接收效果將不斷下降，當收發兩端傳輸距離從10m逐漸增加到20m時，實測誤比特率急劇惡化，信號逐漸無法正常接收與恢復。

Fig.7 a—voice digital signal waveform of transmission b—voice digital signal waveform of receiver

3 結 論

系統采用可見光發射常用的IM／DD信號調制方法，在典型LED燈布局和LED光發射功率恒定的情況下，采用多徑疊加網格算法，建立仿真模型與計算程序，獲得桌面上各點的水平照明度、接收信號功率及信號SNR等參量指標的分布。計算結果表明，當信號發送速率小于1Mbit／s，系統桌面接收點的SNR值均可達到14.9dB以上，所以系統能夠支持短距離中低速語音信號的傳輸與接收。并且，使用ADUC7020型可核心編程芯片及配套的外圍PCB電路，設計及實現了室內VLC語音單向通信的收發系統，實驗測量可得到，在LED發射功率為2W，并且收發傳輸距離小于10m范圍的情況下，該LED可見光收發器件能夠實現中低速率語音數字信號的無中繼接收與清晰收聽。

參考文獻

［1］ TAGUCHI T.Technological innovation of high-brightness light emitting diodes（LEDs）and a view of white LED lighting system［J］.Optronics，2000，19（228）：113-119.

［2］ ISHIDA M.InGaN based LEDs and their application［J］.Optronics，2000，19（228）：120-125.

［3］ XU G L，ZHANG X P.Free-space optical communication［J］.Photonics Technology，2002，22（4）：198-205（in Chinese）.

［4］ KOMINE T，NAKAGAWA M.Performance evaluation of visiblelight wireless communication system using white LED lightings［C］／／Ninth International Symposium on Computers and Commu-nications.Alexandria，Egypt：Institute of Electrical and Electronics Engineers Inc，2004：258-263.

［5］ HU G Y，CHEN Ch Y.Study on white LED light source for wireless indoor communications［J］.Optical Communication Technology，2006，30（7）：46-48（in Chinese）.

［6］ KE X Zh，CHEN JN.Performance comparsion of various pulse position modulation in wireless laser communication［J］.Laser Technology，2012，36（1）：67-76（in Chinese）.

［7］ KAHN JM，BARRY JR.Wireless infrared communication［J］.Proceedings of the IEEE，1997，85（2）：265-298.

［8］ YU LH.Electrical lighting［M］.Shanghai：Shanghai Tongji University Press，2001：112-123（in Chinese）.

［9］ TANAKA Y，KOMINE T，NAKAGAWA M.Indoor visible light data transmission system utilizing white LED lights［J］.IEEE Transactions Communication，2003，86（8）：2440-2454.

［10］ PROAKIS JG.Digital communication［M］.Beijing：Electronic Industry Press，2006：273-279（in Chinese）.

［11］ PANG G.Information technology based on LEDs optical wireless communications［C］／／IEEE Region 10 Annual International Conference，Proceedings.New York，USA：IEEE，2004：395-398.

［12］ LIU B H，YAN Y，YANG L Y.Influence of noise signal on ARM speech encoder［J］.Communication Technology，2008，41（1）：143-145（in Chinese）.

［13］ YUAN D F，ZHANG H X.Code modulation principles and applications［M］.Beijing：Tsinghua University Press，2006：76-82（in Chinese）.

［14］ YANG H.LED lighting driver circuit design and examples［M］.Beijing：China Electric Power Press，2008：135-149（in Chinese）.

Design and implementation of LED indoor visible light voice communication system

JIANG Xiaoming，ZHU Xiaoyong，LIU Tao，ZHU Na，LIU Jiapei
（School of Computer Science and Telecommunication Engineering，Jiangsu University，Zhenjiang 212013，China）

As amain illumination tool，light emitting diode（LED）light can be utilized in optical communication system because of the high sensitivity.In order to study and verify the receiving performance and the transmission distance of a LED indoor visible light voice communication system，referring to the channel model of an infrared communication and the effect of the reflected lights，the signal power of the receiving point on the desktop was calculated according to indoor illumination standard by multipath overlay grid algorithm and the sending and receiving circuits of LED visible light voice single-direction communication system was designed and realized.The results show that when the emissive power of LED light is above2W and the communication rate in the signal physical layer is less than 1Mbit／s，the system is suitable for the actual requirements of the

power and the received signal-noise-rate and can achieve the no-distortion decoding and clear listening in 10m limit.This result is helpful for the research and application of LED visible-light communication systems.

optical communication；illumination；channel model；received power；decoding

—SNR distribution of the received signal in 1Mbit／s b—SNR distribution of the received signal in 10Mbit／s

TN929.1

A

10.7510／jgjs.issn.1001-3806.2014.06.018

1001-3806（2014）06-0807-06

江蘇省自然科學基金資助項目（BK2011475）；江蘇省科技技術創新基金資助項目（BC2012208）

江曉明（1977-），男，講師，碩士，主要研究方向為智能光網絡與電子線路設計。

E-mail：jxm772400＠163.com

2013-12-11；

2014-02-25